Технология термической обработки шестерен, зубчатых колес

Сл.2. Шестерни (зубчатые колеса) широко используются в современной технике. Только в тракторном и сельскохозяйственном машиностроении общее количество ежегодно изготавливаемых шестерен составляет около 25 млн. штук. Основной объем производства составляют цилиндрические шестерни, основная масса которых применяется в коробках передач, трансмиссий автомобилей и тракторов, газораспределении двигателей внутреннего сгорания, металлообрабатывающих станках.

При выборе материала для изготовления шестерен и выборе технологии термической обработки основным критерием является модуль шестерни. Модуль - это отношение диаметра делительной окружности к числу зубьев, измеряется в мм. Шестерни изготавливают из поковок, реже отливок. Зубья или нарезают механической обработкой, или изготавливают горячей накаткой. Для ответственных шестерен применяются различные методы тонкой механической обработки: шлифование, хонингование, притирка, что позволяет устранить деформацию шестерен после термической обработки и повышению их долговечности при работе.

Условия работы шестерен зависят от уровня контактных и изгибающих нагрузок и их быстроходности. При эксплуатации шестерни испытывают:

- изгиб при резком торможении или заклинивании с наличием максимального крутящего момента;

- изгиб в ножке зуба, что может привести к его усталостному разрушению. Напряжения могут превышать 600 МПа;

- контактные напряжения на боковых поверхностях зубьев, что приводит к образованию контактно- усталостного выкрашивания. Эти напряжения достигают величины до 2300 МПа;

- износ боковых поверхностей (из-за попадания абразивных пыли и грязи в зону контакта) либо торцевых поверхностей зубьев. При недостаточной смазке рабочих поверхностей может происходить образование задиров, приводящих к быстрому износу поверхности зубьев.

Сл.3. Исходя из условий работы шестерен, в практике машиностроения применяется несколько технологических схем их термической обработки. К этим схемам относятся:

- термическая обработка шестерен, упрочняемых объемной закалкой и отпуском;

- ХТО шестерен;

- поверхностное упрочнение при закалке т.в.ч.

Шестерни, упрочняемые объемной закалкой и отпуском, предназначены в основном для работы при небольших статических и контактных нагрузках с практическим отсутствием динамических ударов (подъемнотранспортное оборудование, металлургические и горнодобывающие агрегаты, металлорежущие станки). Зубья шестерен упрочняются насквозь на твердость < НВ 300 (при высоком отпуске) или на твердость НRС43-50 (при низком отпуске).

Шестерни, работающие при низких скоростях и малых нагрузках, изготавливают из среднеуглеродистых или низколегированных конструкционных сталей марок 45, 50, 40Х, 40ХН,45Г2, 50Г2, 38ХГН и др. Технологические параметры закалки определяются маркой стали, а режим отпуска - требуемыми свойствами шестерен. Нагрев под объемную закалку и отпуск ведется в универсальном термическом оборудовании (камерные, шахтные печи). Такое оборудование рационально использовать в условиях единичного и мелкосерийного производства.

Сл.4. Шестерни, упрочняемые химико-термической обработкой (ХТО), изготавливаются, как правило, из низкоуглеродистых легированных сталей. Методами ХТО упрочняются в основном тяжело нагруженные шестерни с модулем 3-10 мм. Такие шестерни используются в коробках передач, трансмиссиях автомобилей и тракторов. Преимущество такой обработки возможность получения высокого предела выносливости при изгибе (до 1 000 МПа) и контактных нагрузках (до 2 300 МПа), а также высокой износостойкости поверхности при использовании недорогих малолегированных сталей. Такая обработка позволяет получить высокую твердость, прочность поверхности зубьев при сохранении их вязкой сердцевины. Для упрочнения шестерен применяют цементацию, нитроцементацию и азотирование.

Требования к упрочнению шестерен ХТО. Глубина диффузионного слоя при ХТО зависит от модуля зуба и должна соответствовать следующим значениям:

Модуль, мм1,5-2,252,5-3,54,0-5,5 6,0-10,0 11,0-12,014,0-18,0

Глуб. слоя, мм.. 0,3±0,1 0,5±0,20,8±0,31,2±0,3 1,5±0,41,8±0,5

Сл.5. Для проведения качественной ХТО необходимо выполнить ряд условий, так как только в этом случае, возможно получить высокие значения статической и динамической прочности, высокую износостойкость и контактную прочность:

1. Соблюдать указанное соотношение модуля зуба и глубины насыщенного слоя. Концентрация углерода в слое должна быть в пределах 0,8…1,0%, что обеспечит максимальную усталостную прочность при сохранении высокого сопротивления хрупкому разрушению. При содержании углерода 1,1…1,2% контактная выносливость растет, но значительно снижается предел выносливости при изгибе;

2. Твердость поверхности зубьев должна соответствовать HRC58-65, иметь структуру мелкоигольчатого мартенсита с изолированными участками аустенита остаточного (не более 15-20%). Карбидная сетка и продукты диффузионного распада аустенита в цементованном слое не допускаются;

3. Структура сердцевины зубьев должна состоять из низкоуглеродистого мартенсита или нижнего бейнита с твердостью HRC30-45, присутствие структурно свободного феррита не допустимо. Повышение твердости сердцевины выше HRC45 сопровождается снижением усталостной прочности зубьев.

Сл.6. Стали для шестерен, упрочняемых ХТО. Цементуемые и нитроцементуемые стали должны иметь:

1. Достаточно высокую прокаливаемость и закаливаемость позволяющие обеспечить требуемую твердость поверхности и сердцевины зубьев при закалке в масле. Углеродистые стали для изготовления шестерен этой группы не применяются, так как закаливаются в воде, что ведет к повышенной деформации и короблению;

2. Содержание углерода в стали в пределах 0,16-0,24%. Более перспективно применение стали с концентрацией углерода 0,30-0,32%, что позволяет снизить глубину диффузионного слоя на 25-40%;

3. Хорошую обрабатываемость резанием, что важно в условиях массового и крупносерийного производства. Высокую технологичность при термической обработки после ХТО.

Сл.7. В зависимости от назначения и размеров шестерен для их изготовления наиболее часто используются следующие стали:

1. Стали марок 15Х, 20Х, 18ХГ, 15ХФ, 20ХФ в связи с их малой прокаливаемостью применяются для мелких умеренно нагруженных шестерен, работающих в основном на износ (шестерни силовых агрегатов автомобиля);

2. Стали марок 18ХГТ, 25ХГТ, 30ХГТ, 25ХГМ широко применяют для ответственных тяжело нагруженных шестерен с высокой прочностью сердцевины зуба (обычно малого и среднего модуля и массой до 7-8 кг). Такие шестерни работают, в частности, в коробках передач и трансмиссии грузовых автомобилей и тракторов. Являясь наследственно мелкозернистыми, стали допускают непосредственную закалку после подстуживания с цементационного нагрева;

3. Высоколегированные хромоникелевые стали марок 12ХНЗА, 20ХНЗА, 12Х2Н4А, 20Х2Н4А, 18Х2Н4МА и т.д. применяются для наиболее высоко нагруженных шестерен ответственного назначения и большого поперечного сечения. Кроме того, применение данных сталей обеспечивает получение высокой вязкости сердцевины, поэтому шестерни могут работать под действием вибрационных и ударных нагрузок и при отрицательных температурах. Применение этих сталей может быть снижено за счет замены сталями с пониженным содержанием никеля следующих марок:18ХГНР, 20ХНР, 25ХГНМ, 15ХГН2ТА, 15Х2ГН2ТРА и др. Имея наследственную мелкозернистость и высокую прокаливаемость, стали-заменители допускают непосредственную закалку после цементации.

Сл.8. Технология цементации и нитроцементации. Цементацию применяют в основном для тяжело нагруженных шестерен с глубиной диффузионного слоя более 1 мм. Если глубина слоя ниже 1 мм, то, как правило, используется нитроцементация. Преимущества нитроцементации по сравнению с газовой цементацией следующие: более низкая температура насыщения 830-860 °С вместо 900-930 °С при цементации при практически той же длительности процесса для получения одинаковой толщины слоя; повышение износостойкости, теплостойкости и коррозионной стойкости за счет образования карбонитридов вместо карбидов; получение равнозначной прочности при меньшей толщине слоя; снижение критической скорости закалки за счет насыщения стали азотом и углеродом; меньшая деформация шестерен при последующей термической обработке.

Время выдержки при температуре насыщения определяется заданной чертежом детали глубиной диффузионного слоя и определяется по экспериментально полученным данным или согласно справочников. Ориентировочно скорость насыщения составляет 0,10-0,12 мм /ч.

Сл.9. Охлаждение с температуры насыщения выполняется на воздухе или в футерованных колодцах, где для уменьшения окисления используется отработанная насыщающая среда. При применении цементации или нитроцементации с непосредственной закалкой рекомендуется использовать подстуживание и выдержку для выравнивания температуры по сечению детали и охлаждение со скоростью выше критической. Подстуживание до температуры закалки необходимо, т.к. позволяет существенно снизить закалочные напряжения и количество остаточного аустенита в поверхностном слое шестерни. Применение непосредственной закалки с подстуживанием с температур насыщения используется только для наследственно мелкозернистых сталей.

Для углеродистых и низколегированных сталей, склонных к росту зерна аустенита при высокотемпературных нагревах, охлаждение с температуры насыщения ведется до комнатной температуры или до 500-400 °С. Затем выполняется отдельный нагрев под закалку до температуры оптимальной для поверхностного насыщенного слоя, выдержка при этой температуре, охлаждение со скоростью выше критической.

Для хромоникелевых сталей охлаждение с температуры ХТО проводится до комнатной температуры или до 500-400 °С. Затем выполняется высокий отпуск при температуре 600-650 °С, назначение которого максимальное выделение карбидов из твердого раствора и снятие остаточных напряжений. После высокого отпуска проводится одинарная или двойная закалка, выбор параметров которых определяется свойствами закаленного слоя. При одинарной закалке температура нагрева выбирается оптимальной для поверхностного слоя шестерни. Использование двойной закалки позволяет исправить грубую структуру шестерни, полученную при высокой температуре ХТО. Следовательно, температура нагрева под первую закалку выбирается оптимальной для сердцевины детали, где содержание углерода равно его содержанию в стали. Температура нагрева под вторую закалку является оптимальной для поверхностного слоя детали, полученного после насыщения при ХТО. Иногда вместо первой закалки проводится отжиг нормализация с технологическими параметрами оптимальными для сердцевины шестерни.

Заключительной операцией технологического процесса термической обработки шестерен, изготовленных из всех марок, и подвергшихся ХТО, является низкий отпуск при температуре 160-200 °С. Параметры отпуска определяются требуемыми, согласно чертежа, свойствами поверхностного слоя. Основное назначение низкого отпуска снятие остаточных напряжений шестерен.

Сл.10. Технология азотирования шестерен. Проведение азотирования по сравнению с цементацией и нитроцементацией повышает работоспособность шестерен при повышенных температурах ~500 °С. При этом детали имеют большую износо- и коррозионную стойкость при минимальной деформации в процессе термической обработки. Это связано с тем, что перед азотированием шестерни проходят улучшение (закалка + высокий отпуск). Кроме того, операция азотирования проводится при более низких температурах, чем цементация и нитроцементация. Для азотирования используются только легированные стали: 40Х, 40ХН, 38ХМЮА, 40ХН2М и др. В практике термической обработки применяется в основном два вид азотирования: газовое и ионное - более прогрессивное. В качестве насыщающей среды при азотировании используются продукты распада аммиака.

Перед азотированием детали проходят очистку поверхности (обезжиривание). Температура азотирования находится в интервале 500-620 °С. Необходимо помнить, что чем ниже температура насыщения, тем выше твердость и износостойкость поверхностного слоя. Глубина азотированного слоя указывается в чертеже шестерни и обычно равна 0,1-0,6 мм. Время процесса насыщения определяется глубиной слоя и находится согласно справочных данных. Азотирование процесс длительный т.к. время выдержки лежит в пределах 20-60 ч. Для ускорения процесса используется ионное азотирование, что позволяет снизить время выдержки в 3-4 раза. После завершения выдержки при ХТО охлаждение проводится с печью до 300-150 °С в отработанной атмосфере азотирования с последующим охлаждением на воздухе.

Сл.11. Шестерни, упрочняемые поверхностной закалкой т.в.ч. В зависимости от размеров, модуля и условий работы шестерен применяется несколько вариантов поверхностной закалки при индукционном нагреве. На практике применяется закалка т.в.ч.: со сквозным прогревом зуба; объемно-поверхностная закалка; закалка «по впадине».

Закалка шестерен со сквозным прогревом зуба применяется для скоростных плавно работающих (без ударов), умеренно нагруженных мелкомодульных (<4 мм) шестерен. Основным требованием, предъявляемым к таким шестерням, является высокая износостойкость зубьев. Шестерни изготавливаются из среднеуглеродистых низколегированных марок сталей: 45, 40Х, 40ХН и др.

Оптимальная частота тока для равномерного нагрева зубьев и впадин шестерен определяется по формуле: f = 600/m²[кГц], где m- модуль зуба, мм.

Время нагрева обычно составляет 10-40 св зависимости от модуля и габаритов шестерен, температура нагрева должна быть не выше 900 °С. Такие параметры закалки позволяют прогреть насквозь зубчатый венец шестерни и зону под ним. Охлаждение при закалке ведется спрейером или погружением в масло.

Твердость после закалки составляет HRC50-58. После закалки проводится отпуск или самоотпуск, при этом твердость изделия находится в пределах HRC45-50.

Сл.12. Объемно-поверхностная закалка шестерен проводится для изделий с модулем 4-8 мм. Такие шестерни применяются в задних мостах грузовых автомобилей и не уступают по прочности цементованным и нитроцементованным. Шестерни изготавливаются из стали пониженной прокаливаемости марки 58 (55 ПП). Поковки шестерен проходят ПТО, состоящую из ускоренного охлаждения с температуры конца ковки для получения мелкого зерна и последующей нормализации.

Индукционный нагрев осуществляется токами с частотой 2,5-10,0 кГц, время нагрева 20-100 с. Конкретное время нагрева определяется модулем и размерами шестерни. Режим нагрева подбирают так, чтобы размер аустенитного зерна равнялся 10-12 баллам. Время охлаждения при закалке определяется из расчета того, чтобы обеспечить температуру самоотпуска 200-210 °С, что аналогично отпуску в печи при 150-160 °С.

В результате такой обработки при правильно выбранных режимах нагрева и охлаждения по контуру зубьев и впадин создается закаленный на мартенсит слой с твердостью HRC59-61, твердость впадины составляет HRC30-40 и имеет структуру троостита или сорбита закалки.

Сл.13. Поверхностная закалка «по впадине» применяется для крупномодульных шестерен с модулем >8 мм. Такие шестерни изготавливаются из среднеуглеродистых низколегированных марок стали: 40Х, 40ХН. Нагрев под закалку ведется токами с частотой 2,5-10,0 кГц и ограничивается одной впадиной. Так как нагрев ведется впадина за впадиной, то удельная мощность высокочастотной установки не велика и составляет 1,5-2,0 кВт/см. Конфигурация закаленного поверхностного слоя (рис. 32) связана с особенностями работы крупномодульных шестерен. На вершине зуба упрочненный слой отсутствует, так как эта зона зуба при работе не подвергается нагрузкам.

Рис. 32. Конфигурация закаленного слоя (выделен зачернением) на зубьях при закалке «по впадине»

Сл.14. Закалка «по впадине» может выполняться непрерывно последовательным или одновременным способом. Схема закалки первым способом приведена на рис. 33.

Рис. 33. Схема индуктора для закалки зуба шестерни «по впадине» непрерывно-последовательным способом

Для того, чтобы обеспечить необходимую глубину прогрева впадины расстояние между индуктором и нагреваемой поверхностью должно составлять 0,2-1,5 мм. Увеличение зазора приводит к пониженной глубине и твердости слоя, уменьшение - может вызвать перегрев или пробой индуктора из- за случайного замыкания. Охлаждение при закалке ведется спрееромводовоздушной смесью. После закалки проводится отпуск или самоотпуск, параметры которых определяются твердостью поверхностного слоя.